（道路与铁道工程专业论文）沥青混合料及路面层间抗剪特性研究.pdf

摘要 随着交通运输的发展，交通量、重载、超载的增加以及交通的渠化，许多高 速公路在通车不久就产生了严重的失稳性车辙，而失稳性车辙与沥青混合料的抗 剪特性密切相关。 影响沥青路面抗剪的因素除了荷载、环境外，还与路面的材料和结构相关。 因此，研究沥青混合料及沥青路面的抗剪特性对于路面结构设计、材料设计是十 分必要的。 本文研制开发了一种原理简单、操作简便、数据采集方便的直接剪切试验仪 器，确定了直接剪切试验的试验方法和主要参数。论文对不同级配、不同沥青用 量、不同温度、不同加载速率下沥青混合料的剪切特性进行了研究，并与车辙试 验结果进行比较，得出抗剪指标能很好地评价沥青混合料的高温抗车辙性能。利 用无侧限抗压试验和劈裂试验可以简单得到两个重要强度参数c 和西值。 论文还利用直接剪切仪器对沥青路面粘结层的抗剪性能进行了研究，得出了 不同粘结层材料以及不同层间结合料用量的抗剪规律。结果表明：粘结层的抗剪 切强度随层间结合料用量的增加而先增大后减小，s b r 改性沥青是比较好的粘 结层材料。 在此基础上，论文提出了沥青路面结构的抗剪设计标准，并利用该标准对沥 青路面进行了抗剪性能分析。 关键词：沥青路面，沥青混合料，抗剪性能，直接剪切试验，c 、咖值 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n go ft r a m cv o l u m e ，a x l el o a d s ，o v e rl o a d i n ga n dt r a m c c h a n n e l i z a t i o n ，s e r i o u sr u t t i n go c c u r r e do nt h eh e a v y - d u t ya s p h a l tp a v e m e n t sa r e r o p e n i n gt ot h et r a m c ，a n dt h er u n i n go fa s p h a l tp a v e m e n ti sc l o s er e l a t e dt ot h ea n t i - s h e a rc h a r a c t e r i s t i c so fa s p h a l tm i x t u r e i na d d i t i o nt ot h el o a da n de n v i r o n m e n tf a c t o r s ，t h em a t e r i a l sa n dt h ep a v e m e n t s t r u c t u r e sw i l la 虢c tt h ea s p h a l tp a v e m e n tt oa n t i - s h e 札i ti sv e r yn e c e s s a r yt ot h e a s p h a l tm a t e r i a l sa n ds t l l l c t u r e sd e s i g n i nt h i sp a p e r ak i n do fd i r e c ts h e a ra p p a r a t u s 、讥t l lt h es i m p l ep r i n c i p l e ，o p e r a t i o n a n dd a t e c o l l e c t i o ni sd e v e l o p e dt os t u d yo na n t i - s h e a rc h a r a c t e r i s t i c so fa s p h a l t m i x t u r ea n dp a v e m e n tf o ra s p h a l tm a t e r i a la 1 1 ds t r u c t u r ed e s i g n a n dt h em e t h o da n d m a i n p a r 锄e t e r s o ft h ed i r e c ts h e a r e x p e r i m e n t i ss t u d i e dt h ea n t i s h e a r c h a r a c t e r i s t i c so fa s p h a l tm i x t u r e、v i t hd i 俄r e n t g r a d a t i o n s ，a s p h a l tc o n t e n t s ， 佃m p e r a t u r e sa n d l o a ds p e e da l r e s t u d i e d t h r o u g hc o m p a r i n gt o t h ea n t i - s h e a r c h a r a c t e r i s t i c so f 硒p h a l tm i x t u r ew i t l lt h er u t t i n gt e s tr e s u l t s ，a n df i n do u tt h a tt h e a n t i s h e a ri n d e xc a l lr e n e c tt h e 锄t i - r u t t i n gc h 盯a c t e r i s t i c so f 弱p h a l tm i x n i r e s t h ec a n d 西v a l u eo fa s p h a l tm i x t u r e sc a ne a l s i l yc a l c u l a t eo u ta c c o r d i n gt oc o m p r e s s i o n s t r e n g t ha n ds p l i t t i n gs t r e n g t h t h ea n t i - s h e a rc h a r a c t e r i s t i c so fd i 疏r e n t 硒p h a l tt a c kc o a t sw e r ea l s os t u d i e db y t h ed i r e c ts h e a ra p p a r a t u si nt h i sp a p e r a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt 1 1 es h e a rs t r e n g t ho f d i 位r e n ta s p h a l tt a c kc o a t sw e r ea 仃e c tb yt h e 嬲p h a l tt a c kc o a t sc o n t e n t s ，s b r m o d i f i e da s p h a l ti st h eb e s tm a t e r i a lo fa s p h a l tt a c kc o a t s a tl a s t ，t h ea n t i - s h e a rd e s i g nm e t h o do fa s p h a l tp a v e m e n ta r ep u tf o n v a l r d a n d t h ea n t i - s h e a rp e r f b 兀n a n c eo fa a s p h a l tp a v e m e n tw 弱a 1 1 a l y z e db yu s i n gt h em e t h o r d k e y w o r d s ：a s p h a l tp a v e m e n t ，弱p h a l t m i x t u r e ，a n t i - s h e 2 u r ，d i r e c ts h e a re x p e r i m e n t ， c 、庐v a l u e 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：懈 1 ( 年( 1 月乙日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 皇彤吩 导师签名： 赤 培爻 d 6 年6 月凡日 砂。6 年6 月明 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 随着国民经济的快速增长，我国的高等级公路建设事业方兴未艾。迄今为止， 建成通车的高速公路总里程逾4 l ，3 0 0k m ，其中大部分为沥青路面。但是，随着 高速公路里程与日俱增，由于交通量、重载、超载的增加以及交通的渠化，许多 高速公路在通车1 2 年甚至通车仅几个月就发生了严重的车辙现象，不得不进 行养护维修，进而给国家和社会造成了巨大的经济损失i l 。 国外的路面实践中同样也存在着严重的早期车辙损坏，如美国v i r g i n i a 和 t e x a s 州的多条高速公路刚建成不久就出现车辙，其他州发生的车辙现象更是不 胜枚举 。 一般而言，车辙产生于： 路面结构的二次压密，或路基的整体剪切变形 路面表面的磨耗 路面材料的塑性流动 如果沥青路面经过充分的压实，结构的二次压密不应成为车辙的主要来源。 对重交通路面而言，路面结构一般都具有足够的承载力，路基的整体剪切破坏一 般不会发生。路表面的磨耗性车辙，一般仅发生在北方冰雪地区，因轮胎长时间 使用防滑链所致。关于车辙的产生目前存在两种观点，一种观点认为，车辙是沥 青混合料的粘塑性变形累积，另一种观点则认为是荷载作用下剪切变形的结果。 实际上，这两种观点只是考虑问题的角度不同，其实质是一致的。所以，车辙可 以看作是剪应力作用下沥青混合料塑性流动的结果。目前高速公路交通特点发生 了较大变化，多轴次、重轴载、高轮压在交通组成中的比重越来越大，而且存在 普遍的超载现象。在轮载作用下，其非均布荷载将在路面面层内产生较大的剪应 力，而沥青混合料在设计过程中并未考虑其抗剪能力，这是路面出现车辙的根本 原因所在。 为了防止或减缓车辙的产生，人们采取了大量的措施提高沥青混合料的高温 性能，如改进集料质量、采用改性沥青、采用s m a 混合料等。这些措施已取得 了一定的效果，但早期仍有大量车辙出现。实际上，影响车辙的因素除了荷载、 环境等外界因素外，还有路面的材料和结构。既然失稳性车辙产生于剪切力，说 明剪切力的大小对车辙的产生至关重要，准确的地说车辙的产生与沥青混合料层 中剪切力和抗剪强度的比值有关。 路面结构层在车辆荷载作用下可能发生剪切破坏而产生车辙，因此，研究沥 青路面及材料的抗剪特性对于路面的结构设计或材料设计是十分必要的。若能找 出反映路面结构和材料的抗剪强度指标，并据其受剪特性进行路面材料的组成设 计，对提高沥青路面的抗车辙能力具有较大的指导意义。 1 2 国内外研究现状 传统的路面力学计算和结构设计中，包括我国的沥青路面设计方法、壳牌石 油公司研究所的s h e l l 路面设计手册等，除了以圆形均布荷载近似描述轮载对 路面的作用力外，还以路表的弯沉值以及沥青混凝土面层和半刚性材料的基层、 底基层的层底拉应力作为设计控制指标。路表弯沉值反映的往往是路面的整体刚 度，其主要作用是控制路基路面结构的总变形，防止沉降等整体强度不足的损坏， 并不能反映出沥青路面及混合料的具体受力特性；而层底弯拉应力的主要作用是 防止相应结构层的疲劳开裂。混合料在设计和性能评估中，并没有考虑其剪切性 能的好坏，然而通过系统的研究和分析发现，当混合料以及沥青路面的各项指标 均满足要求时，沥青路面发生剪切破坏丽产生车辙是完全可能的。路面中的剪应 力随着基层的刚度大小而变化，对同一种轮载作用力和分布形式下，基层的刚度 越大，反映到面层中的剪应力也越大，这与目前我国采用半刚性基层材料是否是 唯一的选择提出了疑问。 传统的沥青混合料设计采用的是马歇尔方法。但利用马歇尔设计方法对混合 料的设计，其物理意义不明确。尤其对于稳定度的指标和概念，在目前的所有研 究中，没有人能够说明这个指标与路面性能之间的关系；并且随着新型路面材料 和结构的兴起，如s m a 、o ( 疆c 、大粒径路面等结构形式的出现，用马歇尔方法 根本无法评定混合料质量的优劣。同时，在确定沥青用量时采用的是与混合料最 大密度时有关的含量，在沥青含量为最佳含量时，由于沥青胶结料的润滑作用， 混合料中的集料嵌挤形成的强度大大减小，混合料的承载能力也急剧减小1 2 扪。所 以，在选取沥青用量时，在最佳用量时混合料的路用性能不一定最好。选用最佳 用量只是反映了混合料此时的密实度最高，并没反映其真正的路用性能。因此， 在混合料设计中，如何从根本上解决这个问题成为目前道路界较为关注的问题之 一。为了解决这个问题，从混合料的组成上来看，其主要是由沥青胶结料、空气 和集料组成，而反映到其物理特性上来看就是；沥青胶结料主要是c 值，而集 料主要是西值，如果再考虑空气的作用，可以利用有效应力的概念加以考虑这一 点，沥青等效为水，集料等效为土颗粒的情况下，沥青混合料可以看作是非饱和 状态，此时的空气所产生的应力完全可以忽略。因此，如果能够给出沥青混合料 的c 、驴值。可以说从沥青混合料最为关键之处对其性能进行了较为全面的考虑， 并且这两个指标物理意义明确。而要解决这两点，必须从混合料的抗剪切方面进 行研究。 考虑混合料的抗剪切特性，在当前混合料的设计和路面结构设计中很少应 用。在以往各国进行的抗剪切特性研究中，都采用三轴试验和抗剪公式加以分析 【6 。1 引。在国外的设计规范中，目前采用抗剪指标的只有美国加州路面设计规范 有这一项指标，其详细的设计步骤在规范附录d 中给出，编号为t e x 一1 1 7 一e 。 其目的是用来验证基层厚度是否满足使用要求，所提指标主要是针对基层参数， 未曾提及对混合料的影响。我国城市道路设计规范也对路面的抗剪设计有所 涉及。 作为一项混合料的重要指标，各国的公路研究者自始至终对其充满了浓厚的 兴趣。从2 0 世纪三十年代到五六十年代，有许多研究者对其进行了大量研究， n o 珊a nwm c l e o d l 2 0 l 详细阐述了已有试验方法和设计方法中存在的不足，指出利 用马歇尔方法中的稳定度从严格意义上讲只是一种经验的方法，不足以描述路面 的实际受力状态，如剪切强度和其他的基本物理性能，也不能表明道路实际的使 用性能。同时，利用经验设计方法存在许多不足，那就是在路面设计中难免会出 现设计标准过高和过低的情况，标准过高会造成经济上的浪费，过低则会造成道 路的强度不足，从而出现道路的初期损坏。在当时，n o m 姐wm c l e o d 就已经 发现，利用经验的试验方法如马歇尔方法和其他的类似方法得到的混合料的稳定 度值均满足要求，但是道路很快就产生了破坏，当然，在四五十年代所说的早期 损坏与本文产生的损坏有很大的不同，但从另一方面也说明了，道路上存在的早 期损坏从开始就存在着，因此，寻找一种能够反映混合料本质力学性能的试验方 法就成为了迫切的问题。m a nwm c l e o d 从静载作用条件下的路面抗剪稳定 度、考虑轮胎内力分布时的路面抗剪稳定度、考虑刹车以及车辆加速时的有水平 剪应力条件下的路面抗剪稳定度三个方面进行了系统的研究。n o 珊a nwm c l e o d 把轮胎的接地分布压力图融入对路面的力学分析中，根据轮胎的接地分布压力分 布不均匀的特性，提出了不同的设计标准，最后给出了基于直线包络线下的路面 抗剪的设计诺模图，后来还给出了基于曲线包络线时的路面抗剪的设计方法，使 试验数据更加符合道路的实际受力状态。为了消除重载对道路产生的破坏，尤其 是剪切破坏，还提出了一种新的轮胎样式，改进的轮胎可以随着车辆轴重的增大， 其相应的接地面积也增大，进而使路面产生的剪应力降低到可承受的水平。 n o 肿a n wm c l e o d 提出的这种设计方法在后来的科研人员中产生了重要的影响， 但该设计方法涉及的未知参数太多，在设计中很难进行操作，所存在的不可知因 素很难有一个定量的把握。因此，在后来的道路设计中未能推广应用【2 叭。 va e n d e r s b y 首先提出了如何制备在三轴试验条件下的沥青混凝土试件， 提出了具体的试验方法，为后来的研究作出了贡献【2 l l 。l w n 袖o e f 利用由三轴 测得的数据进行混合料设计，使设计更加完善，l wn i i b o 盯还利用p r a n d t i 公 式对塑性条件下的混合料进行了评估1 2 2 j 。1 9 4 9 年vr s m i l h 在a s t m 发表的“利 用三轴稳定度进行柔性路面的设计”一文，利用弹性理论的方法系统全面的阐述 了道路的剪切受力状态，作者分别给出了三轴试验方法所采用的类型、加载速度 和温度对试件的抗剪能力的影响，从试样制备到数据的整理都给出了完备的理论 分析和详细的步骤。并把试验结果与其他的方法进行了比较和分析，提出了沥青 混合料的破坏标准，最后提出了混合料应该满足的物理性能，并给出了在不同荷 载条件下混合料应达到的抗剪要求，画出了诺模图。这一方法的提出也对后来的 研究产生了巨大的影响。g o e t za n dc h e n 考虑到三轴试验时利用液体加侧向 力比较复杂，于是对三轴试验仪器进行了改进，利用大气压进行加压，这种方法 方便实用。利用这种试验方法，对不同的集料类型和级配、不同的沥青含量以及 不同条件下加载速率进行了抗剪性能分析发现不管侧压有多大，沥青的最大抗剪 稳定度并不发生在混合料密度最大时，而是发生在略小于最大密度时的混合料 中；沥青的最大粘聚力也不是发生在混合料密度最大时，而是发生在略小于最大 密度时混合料中；随着沥青含量的增加，内部摩擦角减小：内部摩擦角与加载速 率无关等结论。g o e t za r i dc h e n 还对开级配沥青混凝土进行了抗剪性能的分析， 对马歇尔试验方法和三轴试验方法从几个方面进行了比较和对比，最后得出了马 歇尔试验方法可以代替三轴试验方法的结论，这在当时产生了不小的争论f h l f l 引。 w s h o u s e l 利用三轴试验方法对沥青混合料进行了力学方面的研究，指 出了粒料的真实受力特性其实是一种拱联效应。力的传递就是通过拱联效应进行 传递的。并给出了相应的剪切力计算公式2 4 l 。除此以外，还有h v e e m ，t e r z a g h i ， t a y l o r ，r u t l e d g e 以及h 0 1 t z 等，他们都分别从混合料抗剪的特性出发，对沥 青混合料和路面设计方法进行了卓有成效的研究。 2 0 世纪七八十年代，对沥青混合料抗剪性能的研究处于了低谷，各类刊物和 杂志上很少有关于这方面的专门报道和研究，但是仍有科研人员在这方面进行不 懈的探索。b h s u b b a r a j u 为了研究应力在道路中的分布规律，在试件中埋入了 传感器，同时施加荷载进行剪应力的测试和分析，并给出了具体的力学计算公式 p ”。w i l l i 鲫l h e l w i t t 利用理论抗剪公式给出了柔性路面的设计方法，同时 与t e x a sh i g h w a yd e p a r t m e n t 的设计方法进行比较后得出利用纯理论的公式计 算的路面厚度，只能用于中等交通量道路的设计，如果希望用于其他道路的设计， 必须增加一个交通因子或者安全因子，之后可以利用抗剪公式进行中交通道路的 设计。作者还与马歇尔设计方法进行了比较，得出了利用抗剪公式进行设计得出 的结果更为合理【2 7 1 。e d w a r ds b a r b e r 给出了路面在水平剪应力和垂直力同时 作用条件下道路的受力状态，并且指出道路设计中必须考虑水平剪应力的作用， 在水平力和垂直力共同作用下，道路中产生的剪应力大大增加，反过来说，道路 的稳定度得到降低【2 8 l 。m a h u d l l l e r i - g a z n o n 等人利用八面体剪应力的方法对 基于刚性基层上的沥青罩面层进行了分析。利用该方法分别分析了罩面厚度、层 间连接条件、罩面材料劲度不同时面层内的八面体剪应力的分布规律，以及有否 水平剪应力时八面体剪应力的分布规律。并且给出了利用八面体剪应力分析混合 料力学性能的方法，最后与m c l e o d 的设计方法进行了比较1 9 l 。k i r y u k h i n 在第八 届国际沥青会议上提出了利用抗剪特性和控制裂缝进行路面设计的方法，但其并 没有提出具体的试验方法和可操作的控制标准1 7 1 。 国内对沥青混合料或沥青路面的抗剪性能研究比较少。2 0 0 4 年长安大学戴 经梁教授开发出了d l g a 型路面材料剪切仪，并利用该仪器对路面层间材料的 抗剪特性进行了研究。 2 0 0 5 年同济大学孙立军教授利用单轴贯入试验和无侧限抗压试验，对沥青混 合料的抗剪性能进行了研究。研究中利用三维有限元分析，论证了该方法的可行 性，提出利用单轴贯入试验数据来求解混合料抗剪强度的强度参数通过对大量 试验数据的分析，提出沥青混合料破坏拐点的概念，给出了单轴贯入试验的试验 条件和环境；同时结合无侧限抗压试验数据建立了求解混合料粘聚力和内摩擦角 的公式【2 l 。但由于其是初次尝试，有些问题研究得还不够深刻，因而许多研究者对 其提出质疑，对贯入试验得到的抗剪强度是否正确而心存疑虑。 以上所有试验方法在后来的设计和施工控制中并没有被广泛采用，应该说只 是在理论上做了必要的尝试，原因只有两个：1 ) 试验方法复杂，仪器费用昂贵， 操作困难：2 ) 没有形成统一的标准，在设计和施工中难以采用和控制。另外， 沥青混合料抗剪性能的研究大都是在4 0 和5 0 年代进行的，那时的材料、旌工以 及设计与现在相比不可同日而语。因此，在当前的交通和材料以及道路结构中， 如何考虑抗剪性能也就变得迫在眉睫了。 可见，目前对于沥青混合料抗剪强度的研究还局限在评价沥青混合料抗永久 变形的能力上，没有人对混合料的抗剪特性提出简便有效的试验方法和相应控制 标准，而对于路面在剪应力作用下的抗剪切作用的能力还有待于进一步深入研 究。 1 3 本- 课题技术路线和主要研究内容 路面结构的抗剪性能是我国乃至其他国家的设计规范或手册中涉及较少的 力学指标，然而从以往的经验和道路的实际情况来看，路面结构在轮载的非均布 作用下，特别是重载作用下，其剪应力是不容忽视的。在重载作用下，混合料的 设计以及路面结构的设计由于未曾考虑抗剪指标，路面强度不足以抵抗重载时产 生的剪切作用，从而产生剪切破坏。因此判断路面结构是否可能发生剪切破坏， 进而提出混合料的抗剪设计方法和路面结构的抗剪设计指标，对提高路面的使用 寿命、解决路面的初期损坏等问题将会产生极大的促进作用。由于三轴试验对试 验设备以及试验人员的要求较高，在我国当前的情况下难以推广和应用，因此， 本文拟从混合料抗剪设计方面出发，提出符合当前我国实际情况的混合料抗剪的 试验方法一直接剪切试验。 本研究分别从试件尺寸、加载速率、试验温度等方面研究直接剪切实验条件， 然后选取1 2 种不同的级配进行试验，最后与车辙试验结果进行比较和分析，提 出沥青路面抗剪设计标准。具体研究内容如下： 1 、原材料性质分析 1 ) 沥青的技术指标试验 2 ) 集料的物理力学性质试验 2 、直接剪切仪器的设计 3 、直接剪切试验的试验方法和标准研究 4 、沥青混合料的抗剪性能研究 1 ) 不同级配抗剪切强度研究 2 ) 不同沥青用量下沥青混合料抗剪切强度研究 3 ) 不同温度下沥青混合料的抗剪切强度研究 4 ) 不同加载速率下沥青混合料抗剪切强度研究 5 、沥青路面粘结层的抗剪性能研究 t ) 不同粘结层材料的抗剪规律研究 2 ) 不同层间结合料用量的抗剪规律研究 6 、沥青路面抗剪设计标准的提出。 参考文献： 【l 】沙庆林，高速公路沥青路面早期破损现象及预防，人民交通出版社，2 0 0 l 【2 】孙立军，沥青路面结构行为理论，人民交通出版社，2 0 0 5 3 】赵佳军、黄志福，高速公路沥青路面病害处治，华东公路，2 0 0 0 年，1 1 2 5 ， 第8 期 【4 】g w m a u p i n ，j r a s s e s s m e n to fs t r i p p e da s p h a l tp a v e m e n t ，r e p o r t f h w a v a - 8 9 l4 ，v i r g i n i at r a n s p o r t a t i o nr e s e a r c hc o u n c i i ，l9 8 9 【5 】r gh i c k sa n dj p m a h o n e y ，c o u e c t i o na i i du s eo fp a v e m e n tc o n d i t i o nd 砒a ， n c 冲s y n t h e s i s1 2 6 ，t r a n s p o r t a t i o nr e s e a r c hb o a 咄1 9 8 6 【6 】g 眦，b ，a s p h a l tp a v e m e mr e s i s t a l l c et or u t t i n g ，b i 饥m e n sn o 1 ，9 9 ，p p 2 4 - 2 8 ， 1 9 9 9 【7 】k i r y u k h i n ，g n ，i n n u e n c eo fr h e o l o g i c a lc h 黼t 鲥s t i c so f 舳p h a l tc o n c r e t e 锄d i n t e r l a y e fb i t u m e no nt h ef o r m a t i o no fr e f l e c t i v ec r a c k si np a v e m e m s ，p r o c e e d i n g o f s o y u z d o m i i ，p p4 一1 7 ，2 0 0 l 【8 】g n k i r y u k h i n ，a s p h a l tm i x t u r ed e s i g no nt h ec r i t e r i ao fs h e a ra n dc r a c k r 船i s t a n c eo f t h ep a v e m e n t ，t h en i m ha s p h a l tp a v 啪e n ts t n l c t u r ec o n f 打e n c e ，2 0 0 2 【9 】m a l l m o u da m e r i - g a z n o na n dd a l l a sn 1 i t t l e ，o c t a h e d r a ls h e a rs t r e s sa n a l y s e so f a na c po v e r l a yo nar i g i db 镐e ，p r o c e e d i n go fa s s o c i a t i o n0 fa s p h a l tp a v i n g t 色c h n o l o g yv b l 5 8 ，p p4 4 3 - 4 7 9 ，1 9 8 9 【1 0 】m a m e r i - g a z n o n ，a n dd n l i t t l e ，p e 咖a n e md e f o r m a t i o np o t e n t i a li na s p h a l t c o n c r e t e0 v e n a yo v e rp o n l a n dc e m e mc o n c r e t ep a v e m e m s ，r e s e 甜：hr e p o r t n o 4 5 2 - 3f ，t t i ，c o l l e g es t a t i o n ，t e x a s ，n o v e m b e r ， 1 9 9 8 【l l 】s h c a 叩e m e r ，a 1 1 dt j f r m 柚，c h 盯a c t e r i z i n gp a v e m e md e f o r m a t i o ni n a s p h a l tc o n c r e t ep l a c e do v e rp o r t l a n dc o n c r e t ep a v e m e m s ，t r a l l s p o r t a t i o nr e s e a r c h r e c o r d1 0 7 0 ，w h s h i n g t o n ，d c ，1 9 8 6 【1 2 】j r 啊e l k i n g ，a l l df li 沁b e r t s ，t i r ec o n t a c tp r e s s u r ea l l di t se f r e c to np a v e m e n t s t r a i n ，j o u m a lo f t r 柚s p o r t a t i o ne n g i n 硎n g ，v 0 1 11 3 ，j 柚u a p p5 6 - 7 0 ， 1 9 8 7 1 3 】l wn 妇b o e r p l a s t i c i t ya saf a c t o ri nt h ed e s i g no fd e n s eb i t u m i n o u sr o a d c a r p e t s ，e l s e v i e rp u b l i s h i n gc o m p a n y i n c ，n e wy b 咄a m s t e r d 锄，l o n d o n ， b n l s s e i s ，l9 4 8 【1 4 】w h g o e t z ，铋dc c c h 吼v a c u u mt r i 戚a l1 鼬n i q u ea p p l i e dt ob i t u m i n o u s a g g r e g a t em i x t u r e s ，p r o c e e d i n g so f a s s o c i a t i o no f a s p h a l tp a v i n gt e c h n o l o g i s t s ，v 0 1 1 9 ，f e b r u a r y ，1 9 5 0 【l5 】v r s m i t h ，t r i a ) 【i a l ，s t a b i l i t y m e t h o df o rf l e x i b l ep a v e m e n t s d e s i g n ， p r o c e e d i n g so f a s s o c i a t i o no f a s p h a l tp a v i n gt e c h n o l o g i s t s ，v o i 1 8 ，f e b m a r y1 4a n d 1 5 1 6 】d r m i d d l e t o n ，f lr o b e r t s ，锄dt c c h a v a l a ，m e a 叫r e m e m 甜l da j l a l y s i so f t m c kn r ep r e s 跚r eo nt e x 髂h i g h w a y ，t r a n s p o n a t i o nr e s e a r c hr e c o r d 1 0 7 0 ， w a s h i n g t o n ，d c ，p p 1 8 ，1 9 4 9 1 7 】m 1 i v n e h ，锄de s c h k l a r k y t h eb e a r i n gc a p i t yo fa s p h a l tc o n c r e t ec a r p e t s s u r f a c i n g ，t h i r di m 锄a t i o n a ic o n f b r e n c e - s t m c t u n lb e s i g no fa s p h a l tp a v e m e n t s ， u n i v e r s i t yo f m i c h i g a n ，、瑚1 ，19 7 2 ( 1 8 】n wm c l e o d ，t h er a t i o n a ld e s i g no fb i t u m i n o u sp a v i n gm i x t u r e ，h i g h w a y r e s e a r c hr e c o r d ，m m ，v b l 2 9 ，1 9 4 9 【1 9 】g r e t z ，b ，a s p h a l tp a v e m e n tr e s i s t a n c et om m i n g ，b i t u m e n s ，n o 1 9 9 ，p p 2 4 - 2 8 ， 1 9 9 9 【2 0 】n o 咖a nwm c l e o d ，ar a t i o n a la p p r o a c ht ot h ed e s i g no fb i t u m i n o u sp a v i n g m i x t u r e a s t m ，1 9 5 1 【2 l 】v a e n d e r s b 弘t h eh i s t o r y 觚dt h e o r yo ft r i a x i a it 色s t i n ga n dp r e p a r a t i o no f r e a l i s t i ct e s ts p e c i m e n s ，a s t m ，s a r if r a n c i s c o ，o c t o b e r ，1 9 4 9 【2 2 】lw n 曲o e p 1 a s t i c i t ya saf h c t o ri nt h ed e s i g no fd e n s eb i t u m i n o u sr o a d c a r p e t s ， e l s e v i e r p u b l i s l l i n gc o ，i n c ，a m s t e r d a m ， n e wy b 叱 l o n d o n ， b r u s s e l s 1 9 4 8 【2 3 】vr s m i t h ，t r i a x i a ls t a b i i i t ym e m o df o rf l e x i b l ep “e m e n td e s i g n ，a a p t ， 、b l u m e1 9 1 9 5 0 【2 4 】w s h o u s e l ，i n t e m a ls t a b i l i t yo fg r 柚u l a rm a t e r j a l s ，a s t m ，v 0 1 2 6 ，p a f ti i ， 1 9 3 6 【2 5 】w s h o u s e i ，i n t e r p r e t a t i o no fh a ) 【i a lc o m p r e s s i o nt e s t so ng r a n u l a rm i x t u r e ， a a p t ，v j l 1 9 ，1 9 5 0 【2 6 】b hs u b b a r a j u ，m o d e ls t u d yo f s t r e s si na s p h a l tp a v e m n e t ，a s t m ，1 9 6 5 【2 7 】w i l l i a mlh e l w i t t ，c o n t i 删a t i o n0 fs t u d yo nm et h e o 瞅i c a ld e s i g no ff i e x i b l e p a v e m e mb a s e d0 ns h e a rs t r e n g t h ，a s t m ，1 9 6 5 【2 8 】e d w a r ds b a r b e r ，s h e 盯l o a do np a v e m e n t a s t m ，1 9 6 5 【2 9 】武建民、苏凯等，路面材料剪切试验仪的开发与应用，交通科技与经济， 2 0 0 5 年，第1 期，第1 3 页 - 1 2 第二章直接剪切试验方法设计及抗剪参数计算方法 传统对沥青混合料的研究认为：沥青混合料的剪切破坏主要是沥青混合料的 高温稳定性不足，在荷载作用下产生永久变形和剪切推移，致使路面出现车辙和 拥抱等现象2 1 删。从实验方法本身的简单、实用、容易推广以及能否很好地模拟 公路现场的实际情况两个方面来考虑，车辙试验是比较好的评价沥青混合料抗车 辙能力的试验方法，而直接剪切试验能够实现近似的纯剪切应力状态，比较符合 路面的实际应力状态，特别适用于考察沥青混合料的抗剪切流动变形。所以本文 选取直接剪切试验结合无侧限抗压试验和劈裂试验对沥青混合料的抗剪特性进 行研究，并把结果与车辙动稳定度进行对比分析，提出在路面设计时增加抗剪指 标来评价沥青混合料的高温抗车辙性能。 2 1 剪切仪器的开发 本研究开发了一种原理简单的直接剪切仪器( 图2 一l 一1 ) ，实验参数可以改 变。通过改变试验参数，可以明确哪个参数对试验结果的影响比较显著。此外， 这种设备可以方便的用来测试路面钻芯试件或实验室制备的圆柱体试件。 图2 - 卜1直接剪切仪 该设备可以在m t s 上进行操作，适用于直径为1 0 1 6 m m 和1 5 2 4 m m 的马歇 尔试件或路面钻芯试件。充分利用m t s 可以灵活的以控制应变或控制应力的模 式加载，并能调整荷载的大小或加载速率以及试验温度，试验数据由软件自动采 集和报告等特点，为试验数据的精确性提供可靠的保障。 2 2 直接剪切试验参数确定 对于直接剪切试验，可供借鉴的资料比较少。为了获得最有参考价值的数据， 试验参数选取必须合适，并且遵循简单适用的原则。要确定的试验参数包括：1 ) 试件的直径，2 ) 荷载模式，3 ) 加载速率，4 ) 试验温度，5 ) 剪切套具间的间距。 2 2 1 试件直径 本研究采用1 0 1 6 m m 和1 5 2 4 m m 两种直径，这两种直径是实验室常见的试 件尺寸，同时路面钻芯试件的直径也是这两种直径。对于公称粒径大于2 6 5 m m 的级配，成型直径为1 5 2 4 m m 的大马歇尔试件：对于公称粒径小于或等于2 6 5 m m 的级配，成型直径为1 0 1 6 m m 的小马歇尔试件。 2 2 2 荷戢模式 m t s 设备可以灵活的施加应变或应力模式的荷载。并且荷载的大小或加载 速率可以调整。选择的荷载模式最好和实际路面的受力状况相同，但实际路面的 受力既不是简单的应变或应力模式。实验室许多仪器和试验都是以控制应变的模 式加载，比如马歇尔稳定度仪和直接拉伸试验，为了更好的应用于地方实验室， 这里采用控制位移的加载模式。 2 2 3 加载速率 本文采用5 m i i l ，m i n 、1 0 m l l l ，m i n 、2 0 m l l l ，m i n 和5 0 m i i l ，m i n 四种加载速率对 a c 1 6 f 型沥青混合料在6 0 条件下进行剪切试验，沥青混合料的抗剪强度见表 2 2 一l 和图2 2 一l 所示。由于5 0 m 耐m i n 的速率应用普遍，很多试验仪器比 如马歇尔稳定度仪就是以这个速率加载，并且以5 0 m i n ，m i n 的加载速率所获得的 剪切强度比以s m 州m i n 、l o m 倒，m i n 和2 0 m i i l f f m i n 的加载速率的要大，大的试验 结果能更好的判断性能的好坏。为了尽量模拟静载作用，综合考虑，最终决定直 接剪切试验采用5 0 m m ，m i n 的加载速率。 表2 2 1不同加载速率下沥青混合料的抗剪强度 加载速率 a c 1 6 f 沥青混合料的t ( m p a ) ( m m ，m i n ) 5 0 3 6 6 8 l o o 4 3 6 2 2 0 0 4 5 4 2 5 0 0 4 7 7 4 2 2 4 试验温度 图2 2 1加载速率与抗剪强度的关系 本文选取0 、2 5 、6 0 三种温度对a c 1 6 f 型沥青混合料进行抗剪试验， 试验结果如表2 2 2 和图2 2 2 。从图2 2 2 可以看出，温度从1 5 增加 到2 5 ，剪切强度降低了三分之二多，而在6 0 时试件的沥青混合料的抗剪强 度很低。最终要选定一种在实验室容易获得并且对试验结果很有意义的温度，故 最终破坏采用与车辙试验同样的温度：6 0 。 表2 2 2不同温度下沥青混合料的抗剪强度 温度( ) a c 1 6 f 沥青混合料的t ( m p a ) 1 54 5 5 2 3 2 52 6 5 5 2 6 004 7 7 4 图2 2 2试验温度与抗剪强度的关系 2 2 5 剪切套具间的间距 有些路面钻芯试件不是垂直钻取的，故在两剪切套具间必须留有足够的间隙， 以减少或消除对试验结果的影响，当然间距也不能太大。根据国外研究成果【4 l ， 剪切套具间的间距确定为5 m